电动自行车产业“锂电化”优化转型方案

　　客观地讲，我们说电动自行车产业或已步入“锂动时代”，但更多只是象征性意义上的一种说法。因为目前锂电池成本仍相对偏高，而由于成本的原因，则给“锂电车”的推广普及带来相当难度；或因此而导致目前“锂电车”的普及率仍较低，而且要远低于现大量使用的“铅酸电池”之车型产品。　　

　　那么，如何定义电动自行车产业“锂动时代”的真正到来，笔者以为，最为简单之衡量标准或可以是：“锂电车”之普及率(市场占有率)，是否达到或超过50%以上。而据此定义及其衡量标准，则电动自行车产业若要真正跨入“锂动时代”，或仍有一个时间过程。但笔者以为，这个过程或相对很短，理由在于：就现有技术及其实施条件，我们不仅已具备“高效节能型锂电车”之商品化开发、以及规模化量产实施条件；而且，对于“经济型锂电车”的推广普及条件即消费者的实际需求，也更为成熟；或只是我们尚未意识到而已。就此展开如下相关问题之讨论。

　　就如何加快我国电动自行车产业“锂电化”转型升级，我们可能更多的关注于，如何来降低锂电池本身的成本(造价)，继而可以降低“锂电车”造价和有利于提升其普及率。但笔者以为，对于电动自行车行业而言，我们或更应该侧重于：通过技术手段来优化整车设计，更有效提升驱动电机(驱动系统)功效，继而降低其功耗，则可以减少电池能量消耗及其电池容量配置。而这样，不仅能有效降低“锂电池”成本和有利于提高“锂电车”普及率；而且，更为重要的是：即便是将来电池技术有所突破，而“提升电机功效、减少能源消耗”之改进思路，将始终不会失去其技术上的先进性。

　　当然，对于“低成本、高性能”电池产品之研究与开发，乃今后发展方向，这一点毋庸置疑。因为它更关系到诸多相关产业之技术进步与未来发展，而不仅限于电动自行车行业及其相关产品。但就现阶段而言，我们若过于期待或依赖于电池技术在短期内有所突破，则将使电动自行车技术进步及行业发展停滞不前。理由很简单：对于“储能技术”的不断研究与改进、以及新一代电池的开发，乃多年来世界范围内所研究和亟待解决的技术难题；其难度或更体现于，即便是实验室研究获得突破，但要真正转化和开发出“性价比”相对较高的经济实用型产品，或仍需要相当长的时间过程，短期内或难以投入商品化实际应用。

　　因此，就现阶段而言，我们或可以运用现已成熟应用的现有技术，对现有产品进行综合优化设计，来更有效降低整车产品实施成本，继而大幅提高其“性价比”。这不仅有助于“锂电车”的普及率、或可在短期内获得较大幅度的提升；并且，或许是一条更有效和“随及就可以方便做到的”解决途径。尤其对于推动和加快电动自行车产业，在短期内实现产品之全面“锂电化”转型升级，以至整个行业整体跨入“锂动时代”，或将会产生更为显着的实效。为能充分地说明这一点，现结合电动自行车技术发展现状，并就如何更有效降低“锂电车”实施成本及其优选技术解决方案，具体探讨如下：

　　1.技术现状

　　就现有电动自行车产品及其驱动方式而言，普及率最高的乃低速轮毂电机。而经过多年来的不断改进，目前低速轮毂电机技术已相当成熟；但正因为如此，欲进一步提高其功效，则优化改进空间已不大。原因在于：其一，由于轮毂电机受到车轮毂特定结构和轴向尺寸的限制，不利于电机结构的进一步优化设计；其二，由于轮毂电机其转速要与车轮转速相匹配，则电机转速相对较低；而低转速电机同比与高转速电机工作效率相对较低，则致使其功效的进一步提升将受到限制。

　　据上所述，或者可以说，在新材料、新工艺以及新的技术方法尚未出现(或尚未成熟应用)之前，欲通过进一步优化轮毂电机之本体结构设计、来大幅提升其功效，则将受到现有技术与实施条件的制约。据此而言，就目前技术条件，希望于轮毂电机技术有重大突破，即：通过提升其功效来降低电池能量消耗，继而减少“锂电池”容量配置及其成本，显然是不现实的。

　　2.改进思路及其优选方案

　　2.1电动自行车技术发展及其演变过程之探析

　　众所周知，早期的电动自行车，是由自行车增设电力驱动系统演变而来，而传动装置仍采用的是链传动方式。比如，较典型的车型为外置式(中置式)驱动电机，经链传动装置来带动车轮转动。但它的不足之处就在于，链传动装置的耐用性能及工作可靠性欠佳；也就是我们通常形象地说，容易“掉链子”。因此，客观地讲，自轮毂电机诞生以来，省去了链传动装置，其工作可靠性明显改善。它对于大幅提高电动自行车产品之普及率，以至推动电动自行车产业在近十年来获得迅猛发展，乃功不可没。

　　可是，由于轮毂电机其固有结构特征的制约，致使其技术上发展或存在局限性。因此，更宏观地讲，轮毂电机驱动方式，或将成为电动自行车技术发展进程中之现阶段“制约瓶颈”。那么，我们仍固守于现有轮毂电机驱动方式，并依赖于电池技术上的突破，这将会使我们的改进思路或也存在局限性。

　　2.2设计理念与改进思路之探讨

　　那么，就如上所述之“制约瓶颈”，我们如何来通过技术手段加以突破呢？笔者以为，电动自行车乃一种普及型低速交通代步工具，或仍应该坚持其“简约化”设计理念，并将更有效提升驱动系统功效、即减少其功耗放在首位。更具体的说，就是：“在满足所需驱动扭矩之前提下，如何使所需驱动功率趋于更小，继而使能源消耗亦趋于更少”。这一点或应该作为“电动自行车技术改进”之始终不变的研究课题(主题)。即便是如何强调个性化设计，但也应该是在此基础上作出的优化设计。而坚持这一改进思路，或反而会使我们解决问题之途径变得更简单，改进方案更简约和更便于实施。

　　具体而言，目前多采用的低速轮毂电机，其致命性缺陷或在于：即便是将其优化改进做到极致，而就现有技术条件则很难实现其功效的倍增。而与之相比，外置式(中置式)驱动电机，由于不受车轮毂特定结构的限制，更利于驱动电机的“高能效”优化设计。故，它与低速轮毂电机相比，其技术优势或更体现于：运用现有技术条件稍加改进，便能获得“功效”的倍增、以至更大幅度之提升(优化改进方案及其实施例之后具体给出)，这对于有效降低“锂电车”造价(即：减少电池容量配置及锂电池成本)，或将会产生更为显着的实效。

　　显然，与轮毂电机相比，外置式(中置式)电机之显着优点则在于，它更便于实现功效的进一步提升，改进空间仍较大；而不足之处和有待解决之技术问题，或只需将链传动装置做些相应的、更趋合理的优化设计而已，以适应和满足产品“运行工况”等相关技术要求便可。那么，这就使得问题之最终有效解决变得简单多了。具体优化及改进方案推介如下，供参考。

　　3.改进措施及其参考实施例推介

　　就链传动装置优化设计而言，我们或可以借鉴于已成熟应用的现有类似产品、来作出相应的改进便可，比如：现有机动摩托车所采用的链传动方式。而该传动方式之所以延用至今，就在于它不仅能够适宜产品“运行工况”等相关技术要求，而且构成也相对简约、便于实施和较为经济。但它与早期电动自行车所采用的链传动方式有所不同，区别及其效果在于：其后轮毂部位设有一“缓冲部”；因此，当车辆起步或提速时(即：传动装置加载瞬间)，能起到有效地缓冲作用，从而使传动系统各部件相互间的瞬间受力强度大大减轻，继而使其工作可靠性及耐用性能显着改善，使用寿命则相应延长。

　　据上所述可见，电动自行车选择上述链传动方式，不仅是适宜的，而且“性价比”或更高。简单地说，链传动方式通常用于低速传动系统，而电动自行车速度要远低于机动摩托车，则链传动装置其传动速度更低；因此，其工作可靠性、耐用性能更高，使用寿命更长。但就进一步优化产品设计和降低实施成本而言，或仍有较大改进空间。

　　比如，一种采用中置驱动方式、名称为《高能效电动自行车之驱动及传动装置》的专利申请(专利号：ZL201220615106.9；授权公告日：2013年4月24日)，提供了一种更为经济实用的解决方案。该方案是将装于后轮毂部位的“缓冲部”，作了进一步优化改进，并采用了“带有缓冲部件的联轴器”方式，即可方便安装于中置电机之转轴上，其改进效果在于：

　　〈1〉将“缓冲部”前移中置，可简化后轮毂部位设计，则整车构成更为简约，综合实施成本进一步降低。

　　〈2〉将“缓冲部”改为联轴器形式，其本体结构更为紧凑、体积减小、用材量减少，实施成本低廉；不仅更便于加工，而且可选用钢质材料制作，结构强度及耐用性能相应提高，使用寿命延长，则综合性价比更高。

　　〈3〉将“缓冲部”改为联轴器形式，最明显优点还在于：它与“中置电机”转轴及链轮之间，均可采用螺纹连接方式或键槽等连接方式，则结构设计更为简约，简便易实施和方便装配等等。

　　综上所述可见，上述链传动装置及其中置电机驱动方式，乃较佳驱动及传动方式之一。其可行性在于：不仅仅是经过实际应用验证其技术上已相当成熟；而且，上述优化方案及其改进措施，均采用的是现已成熟应用之常用技术手段与方法，则实施难度大大降低。不仅如此，更为重要的是：它同比与低速轮毂电机驱动方式，将能实现其功效的倍增、以至更大幅度之提升，继而可大幅减少电池的容量配置，即可有效降低“锂电车”实施成本。这才是问题获得最终有效解决之关键所在。就此我们作如下进一步探讨。

　　4.1相关参数概念与“高能效”中置电机优化设计原理概述

　　为节省本文篇幅和便于理解，我们结合如下相关参数概念一并讨论：

　　〈1〉关于“单位功率质(重)量”之概念，即：P(功率)/Q(质量)。简单地说，当P/Q比值愈大，则表明电机在获得相同功率输出时，电机的质(重)量与体积愈小，用材量即原材料成本愈少；反之亦然。据此而言，中置电机同比与轮毂电机，由于不受车轮毂特定结构限制，而更利于其结构(磁路)优化设计，则体积、质(重)量可相应减小；而据相关研究也表明，二者同比，中置电机通常可减少约30%的体积、重量及原材料成本。

　　〈2〉关于电机之“功率、转矩、转速、效率”等相关参数概念及其解释：公知的，电机之转矩与转速成反比(转矩=功率/转速)，额定功率相同的电机，极数越少，转速就越高，同时转矩越小；而另一方面，额定功率相同的电机，额定转速愈高，电机的体积、质(重)量和成本将愈小；再一方面，在一定转速范围内，高转速电机同比与低转速电机其效率更高。因此，通常在能够满足负载“运行工况”等相关技术要求时，以及减速机构构成相对简约、传动效率相对较高(功率损耗较小)之情况下，一般会选择高转速电机实施“减速增矩”传动方式；这样，更经济(即：原动机重量、体积较小，电机造价即价格相对较低等)。

　　基于上述公知的相关参数概念及其解释，我们或可以得出这样的结论：额定功率相同的高转速电机同比与低转速电机，若要获得(达到)与低转速电机相同的输出转矩，则高转速电机的质(重)量、也应与低转速电机的质(重)量相同(或大致相当)。或者是说，我们或可以相应增加高转速电机其质(重)量(如：增大铁芯截面、增加绕组匝数)，则可以增大其输出转矩，并可获得与低转速电机相同的转矩。但这里需要特别说明的是：二者“功率及转矩”均相同，但高转速电机同比与低转速电机其“质(重)量”并未有明显增加，即：二者“质(重)量”是相同的(或大致相当)。而上述：通过增加高转速电机“质(重)量”来增大其“转矩”，只是针对于“高转速电机本身”而言，这一点需要特别明确乃确定的(应该准确理解)。

　　如上之结论很重要，它对于理解“中置电机”之“高能效”优化设计原理，并用于解释“中置式高转速电机”同比与“低转速轮毂电机”，可获得“功效(额定扭矩/额定功率)”的提升，乃最为重要之依据。并且，该依据毋庸置疑，因为它不仅符合“质量守恒”定律；而且，严格意义上讲，乃符合“能量守恒及能量转换”之基本原理。其充分理由在于：

　　电机(电动机)作为将电能转换为机械能的设备，或可称之为“能量转换之载体”。而严格的讲，该载体的“能量转换能力”则取决于它的“质(重)量”，即：电机的“铁芯及绕组的质(重)量”。据此，当电机的“质(重)量”相同，能量转换能力则相同；那么，更具体的讲，也就是说“当电机质(重)量相同时，而输入功率相同，则输出转矩亦相同”。

　　可是，在现有电机产品中，为何功率相同的电机，它的转速越高转矩就越小呢？对此，也很好理解，因为转速越高的电机，它的“质(重)量”及体积越小，它的“能量转换能力”越小；就是说，高转速电机的体积、“质(重)量”，原本就小于低转速电机，乃固有特征。而现有电机产品之所以采用该设计方法(模式)，则是因为：有利于优化电机的“功率重量比”，即有助于提高其“性价比”。

　　显然，本文称之为“高能效”电机之设计方法，不同于现有电机产品所采用的设计模式，其区别或在于：由于是针对于采用车载电源(蓄电池)供电的电机，则更侧重于，如何来更有效提升电机的功效(以减少能源消耗)；具体的讲，就是通过增加电机的“质(重)量比”，来提高其“能效比(额定扭矩/额定功率)”。但仍需要强调的是：改进后的“高能效”中置电机(高转速电机)，它同比与现有产品之“低转速轮毂电机”，其质(重)量、体积以及“原材料(铁芯、绕组)成本”并未有明显增加(或大致相当)；并且，二者的功率、转矩均相同，但“转速”是不同的。

　　4.2关于“高能效”电机之具体优化方案及改进措施

　　在现有产品(中置电机)之基础上，我们能否在不增加电机额定功率之前提下，来增加其额定转矩呢？据前述“高能效”电机优化设计原理可知，通过增加电机“质(重)量”，便能相应增加其转矩。据此，我们就可将现有产品，很方便的改制成“高能效”电机，即：选择同一系列而不同规格的现有产品稍加改进便可。具体改制方法说明如下：

　　以额定功率350W的中置电机为例，我们可选用功率(规格)稍大一档或更大一档的“同一系列”现有产品，将电机绕组(线圈)参数作相应的调整重新绕制便可。其改进设计原理与实际效果在于：与原有功率为350W的中置电机相比，电机规格即“质(重)量”增大后，不仅铁芯(磁路)截面相应增加，而且线圈绕制空间也相应增大，绕组匝数亦可相应增加。比如，将铁芯截面增大一倍(铁芯长度即磁路长度相当)、绕组匝数也增加一倍(适当增大线径)；那么，同样的电流(功率)输入，即可产生两倍的“磁通量”，便可获得功效(转矩)的倍增。更直观地讲，也就是说，“改进后”的电机，额定功率仍为350W，但它的额定转矩则为“改进前”的两倍，即相当于现有产品同一系列700W电机的转矩。

　　上述解决方案之可实施性及其显着优点更在于：由于采用现有产品进行改制，则无需改变现有产品的原有结构(磁路)设计，简单实用，实施成本低廉。因此，就经济性与实用性而言，乃可作为“优选技术解决方案”之一。

　　不仅如此，上述改进方案及其实施例，或给我们带来一些启示，或将使我们解决问题之思路发生改变。即：通过合理适当增加电机的“质(重)量比”，则线圈绕制空间相应增大，我们就可以选择适当的线径来较大幅度的增加绕组匝数，即可在保持安匝数(IN)不变之前提下，便可相应减少(小)所需驱动电流，即可使电机额定功率大幅减小。而这对于采用电池(车载电源)驱动的车辆而言，在满足所需驱动扭矩之前提下，驱动电机额定功率(所需驱动功率)的大幅减小，使得电池能量(能源)消耗亦大幅减少，则电池的容量配置及其成本大幅减少。由此可见，采用上述“高能效”中置电机作为电动自行车的驱动电机，不仅可大幅降低“锂电车”实施成本，而且，同比与现有轮毂电机驱动方式，其节能效果(即：能源消耗大幅减少)更为显着。

　　4.3实施例对比及其“功效”的简约计算

　　为能较为直观地阐明其优化改进效果，我们下面采用举例的方式，将“高能效”中置电机与低速轮毂电机之“功效”作一对比，具体如下：

　　比如，一只额定功率为350W的“高能效”中置电机，其转速是“功率同样为350W轮毂电机”的2倍，但同时二者的质(重)量也相同(或大致相当)；那么，据前述“高能效”电机优化设计原理及其相关结论，则中置电机可获得与轮毂电机相同转矩。这样，我们就可以选用“传动比(减速比)”为2的链传动装置，即可获得“功效(扭矩)”的倍增。也就是说，“高能效”中置电机的最终输出转矩(即：经链传动装置施加给车轮的扭矩)，则相当于(或等效于)700W轮毂电机的输出扭矩。反之，若要获得与350W轮毂电机相同的输出转矩(扭矩)，则只需选用175W的“高能效”中置电机便可。

　当然，上述“功效”之对比，尚未考虑链传动装置的功率损耗，而实际“功效”之提升幅度则会有所降低。但这一问题之解决就更为简单了，我们只需要选用转速更高一点的“高能效”中置电机，并相应增大链传动装置的传动比(减速比)便可。具体解决方法(方案)及其“功效”简约计算如下：

　　公知的，链传动装置的传动效率通常为η＝0.9，为留有一定余量，效率可取η＝0.89。那么，我们选择转速比(即：减速比)为2.3，则结果为：0.89(传动效率)×2.3(减速比)≥2(功效)。

　　5.技术改进效果综述

　　据如上所述之改进方案及其实施例对比，我们还可以得出这样的结论：“高能效”中置电机同比与现有“低速轮毂电机”，当二者质(重)量相同(或大致相当)，则“功效”之提升幅度，将取决于中置电机转速与车轮转速的“转速比”和减速传动装置的“传动效率”。据此而言，采用“高能效”电机及其中置驱动方式，同比与轮毂电机直驱方式，其“功效”乃具有更大的提升空间。

　　具体而言，按车速≦26公里计，则低速轮毂电机转速(即：车轮转速)通常为400r/min左右，而用于减速传动之中置电机、其转速至少可达3000r/min以上，则二者间的“转速比”较大(即：“减速比”至少可达8左右)。那么，即便是减速传动装置存在一定的功率损耗，但只要减速传动装置的功率损耗、所占总的功率消耗之比例很小，且远小于驱动电机之“功效”的提升幅度，则改进效果将是尤为显着的。比如，按“转速比(减速比)”为8计，减速传动装置的“传动效率”且为η＝0.85(就现有技术条件乃可以方便做到的)；那么，我们选用额定转速为3200r/min的“高能效”中置电机，则至少可将“功效”提升6倍以上，其技术效果更在于：

　　“功效”提升6倍，则实用效果即相当于电池的“比容量”提高了6倍，或等效于电池的容量配置增加了6倍。反之，若与现有产品(低速轮毂电机驱动方式)同比，则可相应减少(节省)“锂电池”5/6的容量配置。

　　由于本文篇幅所限，关于上述：采用“高能效”中置电机，如何来更大幅度提升驱动系统“功效”及其具体实施方案。推荐参考笔者近期撰文、并发表于“中国电动车网”之《浅谈电动自行车之高能效低成本轻量化设计》等多篇相关文章，且作为本文所探讨问题之组成部分，谨供参考。

　　结语：

　　对于如何加快我国电动自行车产业“锂电化”转型升级，其优选解决方案，或更应该包括两个方面：其一，行业自身的努力，加快研发并推出更符合消费者实际需求的“经济型锂电车”产品，以取代现大量使用的“铅酸电池”之车型产品。其二，就公益性而言，若能像新能源汽车那样，给予“锂电产品”适当的产业政策扶持，即便是象征性的一点鼓励，这对于推动“锂电车”产品的更广泛普及，将会产生极其显着的实效。那么，我国电动自行车产业真正跨入“锂动时代”，将指日可待。